单聚合物复合材料调性成型机理及其关键技术研究

In this study, with the problem of simply polymer material in its development and application, a new method named self-reinforced composite molding, is proposed to make single polymer material. Mechanical properties of composite materials could be controled with this method by changing molding parameters. Besides, by means of the visualization technology in this method, it could get the whole filling and contraction process of self-reinforced polymer in the special mold by high speed camera shooting. By adding trace particles and thermal tinting dyes to polymer materials, melts flow traces, shape changing of melts front flow, velocity and temperature field, pressure and phase change are real-time obtained with the help of infrared temperature sensors, pressure sensors and ultrasonic probes in mold. Combining with the theories on rheological, polymer microscopic structure and mechanical properties, the acting law and mechanism of molding parameters on single polymer mechanical properties can be studied. On this basis, the model can be built, which reasonably represents the relationship between molding parameters and single polymer composite mechanical properties. This could provide a reliable basis for the preparation of single polymer composites, the design of material properties and the optimization of forming process.

本研究针对单聚合物复合材料在成型以及性能调控方面所面临的问题，提出"模内自增强复合成型"单聚合物复合材料制备新方法，可以实现在不改变制件结构尺寸及材料成分的前提下能够通过成型参数的调整对单聚合物复合材料力学性能进行调整和控制。并采用先进的物理可视化技术，在线实时观测成型过程中聚合物熔体的流动轨迹、流动前沿形状变化、速度场、温度场、压力场、相态变化等成型过程特性，并对其进行参数化表征，结合流变分析、聚合物微观组织结构以及力学性能分析的理论及方法，系统研究单聚合物复合材料成型条件-流变特性-微观组织结构-最终力学性能之间各个环节的相互作用关系和作用机理，分析影响单聚合物复合材料力学性能的作用规律和内在因素，以此为基础，建立能够合理表征成型过程参数与单聚合物复合材料性能关系的模型，为单聚合物复合材料的制备、材料性能的设计以及模具结构与工艺的优化提供可靠的依据。

本研究针对单聚合物复合材料在成型以及性能调控方面所面临的问题，提出“模内自增强复合成型”单聚合物复合材料制备新方法，可以实现在不改变制件结构尺寸及材料成分的前提下能够通过成型参数的调整对单聚合物复合材料力学性能进行调整和控制。并采用先进的物理可视化技术，在线实时观测成型过程中聚合物熔体的流动轨迹、流动前沿形状变化、速度场、温度场、压力场、相态变化等成型过程特性，并对其进行参数化表征，结合流变分析、聚合物微观组织结构以及力学性能分析的理论及方法，系统研究单聚合物复合材料成型条件-流变特性-微观组织结构-最终力学性能之间各个环节的相互作用关系和作用机理，分析影响单聚合物复合材料力学性能的作用规律和内在因素，以此为基础，建立了能够合理表征成型过程参数与单聚合物复合材料性能关系的模型，为单聚合物复合材料的制备、材料性能的设计以及模具结构与工艺的优化提供可靠的依据。.本项目研究结果，完全改变了先制备排布增强体，后填充基体材料的传统复合材料制备模式，从而避免了尺度较小的增强体与高温熔体接触混合导致的取向被破坏与松弛而丧失原有的强度和性能。该技术无需对基体及纤维材料进行改性处理，只利用常规注塑机和相关模具即可实现单聚合物复合材料的制备。由于其增强体预留沟道的尺寸、走向、排布密度均可由微制造、精密加工等手段来保证，而且通过成型参数的调整还可以改变增强体的分子取向度、结晶度等微观结构，从而可以实现单聚合物复合材料制件的结构、工艺及性能及成型模具的一体化设计和控制。该研究不但对单聚合物复合材料的制备及其成型技术的发展和应用具有重要的理论和实际应用价值，所提出的调性成型的方法与理论也可以为聚合物的材料-性能-模具-工艺-制品的一体化设计与制备技术的发展提供有力的支持。该研究结果在国防、航空航天、交通运输等领域具有很好的应用前景。